海道測量的遙感學科屬性辨析

一、引言

「遙感是指非接觸的，遠距離的探測技術。一般指運用感測器/遙感器對物體的電磁波的輻射、反射特性的探測」或者「Remote sensingis the acquisition of information about an object or phenomenon without making physical contact with the object and thus in contrast to on-site observation. Remote sensing is used in numerous fields, including geography, land surveying and most Earth Science disciplines (for example, hydrology, ecology, oceanography, glaciology, geology); it also has military, intelligence, commercial, economic, planning, and humanitarian applications.」，也有專家、學者提出應該對攝影測量與遙感的定義進行拓展：「遙感指的是利用人造衛星、宇宙飛船、有人駕駛飛機、無人駕駛飛機、飛艇等航空航天飛行器，獲取地球表面自然與社會各類景觀所輻射的電磁波信號。根據所攜載的感測器及其所獲取的影像信號類型的不同，可分為：可見光全色遙感、紅外遙感、多光譜遙感、高光譜遙感、微波(雷達)遙感等，還可根據成像的幾何特性分成：雙視（立體）成像、單視(非立體)成像、框式成像、掃描成像、激光掃描成像等。」。

李德仁院士對遙感的信息採集平台、信息處理方法與應用範圍進行了拓展，提出了「天空地一體化對地觀測」的體系，仍然沒有對遙感的前端感測器的手段和遙感涉及的空間領域補充完整。事實上遙感的感測器所應用的非接觸式探測手段應該包括電磁波（光、熱、無線電等）、機械波（水波、聲波、地震波等）和力（重力、磁力等）等，以上各種探測手段在實際科學研究、工程實踐中都有應用。因此，我們給出遙感的定義為： 遙感是利用非接觸的方式，通過對物體發射或反射的波的分析而實現對物體大小、溫度、硬度等屬性進行探測的技術。這個定義突破了「電磁波」的範圍，為多種平台搭載的以聲波、超聲波等非電磁波對空間對象的探測技術進入遙感大家庭打開了大門。

二、遙感的技術架構

遙感是一門對空間對象進行探測的綜合性技術，需要多種學科的參與和配合，它的應用又需要一整套的技術裝備和工程實施方法，因此遙感工作是一項複雜的系統工程。遙感系統也是一種綜合的系統，其技術架構主要由以下四大部分組成：遙感平台、POS技術、感測器和分析系統。

⒈遙感平台

遙感平台按照空間層次可以分為航天平台、航空平台、地面平台（包括室內）、水面和水下平台。不同的應用目的和環境選擇不同的遙感平台，通過平台上搭載適當的感測器獲取所需的遙感數據。

⒉ POS系統

定位定姿系統（POS）是通過全球導航衛星系統（GNSS）獲取位置數據作為初始值，通過慣性測量單元（IMU）獲取姿態變化增量，應用卡爾曼濾波器、反饋誤差控制迭代運算，生成實時導航數據，同時記錄遙感平台的姿態，以便實時或事後對遙感的測量數據進行多參數的處理或糾正。

應用POS系統可以得到移動平台位置和姿態適當精度的數據，從而能為遙感平台提供具有正確位置和姿態數據。能夠實現直接地定位和測量，可以減少或省略空中三角測量的地面控制點，可以與任何量測類型的感測器（航攝像機、機載激光雷達、高光譜成像儀、機載合成孔徑雷達、機載干涉雷達、多波束、聲納、相干聲納等）直接連接使用。隨著POS技術的發展，無地面控制點的遙感測量方法正被廣泛應用。

⒊ 遙感的感測器

遙感技術通過感測器獲取數據，從而提取有用的信息。隨著遙感技術的不斷發展，感測器獲取的數據不僅具有豐富的空間信息，而且具有豐富的頻譜信息。

由於目標在不同的頻譜段表現的信息具有較大差異，多頻譜系統可以綜合利用不同波段的數據信息，發揮各波段的探測優勢，從而極大地提高目標探測的能力。

⒋ 分析系統

當我們利用遙感技術獲得了所需數據後，我們要對這些信息建立一套分析系統，具體包括樣本建立、機器學習和大數據挖掘等步驟，從而更好更便捷地存儲並利用這些信息。

三、 海道測量的定義及其遙感學科屬性

⒈海道測量的定義及專業領域

海道測量（Hydrography）是以保證航海安全為主要目的，為獲取海底地貌、底質、助航物和礙航物等資料，對海洋（包括內陸水域）和海岸特徵進行的測量。

國際海道測量組織將海道測量工作劃分為航海圖海道測量、航道測量、港口管理和工程測量、近海地震測量、近海工業測量、水域遙感測量、內陸水域測量和軍事海道測量等。

⒉海道測量技術特徵的遙感符合性分析

對於海道測量是否應該歸屬於遙感學科體系，本文就海道測量的技術特徵與遙感的技術架構進行對比展開討論。

首先，海道測量是以聲學感測器發出的聲波對空間目標進行測量和屬性測定分析的。在測深方面，以傳統的單波束為主，目前多波束水深測量技術也得到了廣泛的應用，可以實現對水下地形的全覆蓋測量；在海底底質、淺地層性質、水下目標搜尋等方面，多應用側掃聲納、淺地層剖面儀、磁力儀等進行探測，應用的有聲波、地震波和電磁波等。與狹義的遙感相比，同樣具有對實體目標的距離、大小、軟硬、結構等進行探測的性能。事實上，遙感界已經把激光測深納入了遙感的範疇。

其次，海道測量的作業平台以船舶或水下潛器為主，通過定位、測姿、聲學測量等系統的組合，形成一個完整的遙感作業平台，只是感測器由電磁波探測器換成了聲學探測器。通過天空（飛機）、水面（船舶）、水下（潛艇/AUV）測量平台的綜合應用，在統一的空間坐標系和陸海統一垂直基準的支持下，將能夠實現立體化測量模式。

再者，海道測量具有完整的信號處理理論和模型，包括平台與感測器系統解算、信號誤差糾正、圖像匹配與糾正、信號增強與解析、智能歸類等。其模型與演算法與遙感工作者熟悉的內容基本一致。將遙感的演算法引入海道測量將能夠豐富海底觀測的技術手段。

最後，我國海道測量專家一直致力于海道測量信息管理和應用技術的探索與研究，建設了海洋空間信息資料庫，包括矢量的水深、底質、潮汐潮流、聲納圖像、淺地層影像等，這些信息都是海道測量利用遙測、遙感的方式獲得的，能夠實現對海洋數據進行管理、分析與應用，應該成為我國對地觀測空間信息系統的重要組成部分。

由此可見，海道測量的技術特徵符合遙感的技術架構，海道測量應該歸屬於遙感學科體系。

四、天空地海一體化空間信息系統架構

⒈POS+技術

POS技術以其能夠得到高精度移動平台的位置和姿態的軌跡數據的優勢，為遙感技術提供了較多的方便。POS可以與任何量測類型的感測器直接連接配合使用。POS技術與航天遙感、數字航空攝影、航空航天可見光成像、激光掃描成像、合成孔徑雷達成像、空中三角測量及地理信息系統等技術結合，均能有突破性的作用產生。

POS+將成為未來空間信息採集與應用一體化的關鍵環節，是建立天空地海一體化的重點研究內容。

⒉天空地海一體化空間信息系統

全球導航定位系統(GNSS)對於新時代遙感測量起著重要作用，它包括利用美國的 GPS、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)及歐洲正在研發中的伽利略(GALILEO)和我國的北斗((BEIDOU)等衛星導航系統中的一個或多個系統進行導航定位。

在信息表示領域，多源、多解析度信息的有機集合是發展的必然趨勢。由衛星、飛機、船隻獲得的信息和由光學、聲學、雷達獲得的信息均能有機地結合在一起，從多種角度、以多種解析度展現天空地海的全貌。

有了高精度GNSS系統和POS的支持和海道測量的加入，遙感就形成了能夠覆蓋「（航）天（航）空地（面）海（洋）」的一體化空間信息系統。該體系以 CGCS2000為基礎框架，以 GNSS系統為支撐，以 POS為紐帶，以多種感測器為手段，形成天空地海一體化的信息採集架構，實現信息的交流與共享，為各行業提供更廣泛的公共服務。

【作者簡介】張安民，男，天津大學海洋科學與技術學院海洋技術系，研究員，博士生導師，主要從事海洋製圖學、海洋GIS工程和e-航海教學與研究工作；2001年享受國務院政府特殊津貼，2004年榮獲「新世紀百千萬人才工程國家級人選」稱號；本文為2016年遙感大會上的交流文章，編髮時做了部分修改，作者授權編髮。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！